Wie die Blockchain einen Sack Flöhe im Zaum hält

Die Blockchain als Netzwerk von Computern muss sicher sein, obwohl auch Gauner Zugang haben. Ähnlich der „unsichtbaren Hand des Marktes“ muss ein „Konsensmechanismus“ innerhalb der Blockchain für Ordnung sorgen. Ein kluger Algorithmus macht das möglich. Aber vieles ist hier im Fluss.

Die Blockchain kann wie jede Datenbank nur dann funktionieren, wenn die dort abgelegten Daten korrekt und sicher sind und es auch in Zukunft bleiben werden. Man spricht in diesem Zusammenhang von Sicherheit und Integrität. Integrität bedeutet, dass sich ein System wie beabsichtigt verhält. Das setzt vor allem voraus, dass Daten effizient, korrekt und sicher gespeichert werden. Die im System vorhandenen Daten müssen vollständig, korrekt und frei von Widersprüchen sein. Es bedeutet auch, dass beim Schreiben in die Datenbank und beim Lesen aus der Datenbank der angestrebte Datenschutz erreicht wird. Nur im Rahmen jeweiliger Berechtigungen darf Lese- oder Schreibzugriff gegeben sein.

Ist die Sicherheit und Integrität in Datenbanken und Softwaresystemen nicht sichergestellt, so hat man oft mit Datenverlust, unlogischem Softwareverhalten, Systemabstürzen und anderen Unzulänglichkeiten zu kämpfen. Besonders problematisch ist es, wenn Fremde unberechtigt auf Daten zugreifen oder diese sogar verändern können.

Wo es um viel Geld geht, sind Integrität und Sicherheit von besonderer Bedeutung. Nicht umsonst wenden Banken und andere Finanzinstitutionen komplexe Sicherheitsarchitekturen an, um diesen Aspekten hinreichend Rechnung zu tragen. Sie schotten ihre Systeme so gut als möglich ab, fahren mehrgleisig und betreiben unglaublichen Aufwand. Die Systeme werden dadurch schwerfällig, verlieren das einfache Handling, funktionieren nicht mehr intuitiv, verlieren einen wesentlichen Teil ihrer Funktionalität. All diese Schutzmaßnahmen sind aber unverzichtbar in zentralisierten hierarchischen Systemen. Und dennoch passieren laufend Fehler, Hacker brechen ein oder Systeme werden instabil. Ganze Systeme gehen offline, weil die Sicherheit und Integrität eben doch nicht ausreichend schützbar ist.

Im neuen „Internet der Werte“, das durch die Blockchain ermöglicht wird, stellen sich all diese Probleme natürlich auch. Sie türmen sich sogar scheinbar unlösbar auf: Wenn in einem rein verteilten Peer-to-Peer-System der Zugang für jeden, der einen Computer hat, völlig offen ist, dann bedarf es scheinbar einer allmächtigen Kontrollinstanz, um Chaos zu vermeiden. Aber genau diese gibt es absichtlich nicht: das System ist völlig unhierarchisch und selbststeuernd aufgesetzt. Wie bitte soll das funktionieren? Sie werden sich wundern, es funktioniert! Genau das ist es, was die Blockchain zu einer derart faszinierenden Technologie macht, die die Welt verändern wird.

Das Kernproblem ist die Beziehung von offenem Zugang, Vertrauen und Systemintegrität

Das bedeutet natürlich eine Gradwanderung. Aber die Blockchain kann dieses Problem perfekt lösen. Es gibt eine subtile Beziehung zwischen Vertrauen und Integrität in rein verteilten Peer-to-Peer-Systemen. Integrität bedeutet, dass das System sicher, vollständig, einheitlich, verlässlich, inhaltlich korrekt, mangel- und fehlerfrei funktioniert. Ohne diese Faktoren lassen sich die Erwartungen der Anwender nicht erfüllen.

Besonders schwierig wird das alles, wenn die Anzahl der Peers unbekannt ist und auch deren Vertrauenswürdigkeit. Denn die größten Bedrohungen sind technisches Versagen und böswillige Peers. Nachdem an einem derartigen Netzwerk viele Computer teilnehmen, ist der Ausfall einzelner Knoten immer möglich, das darf aber nicht zu einem Versagen des Systems führen. Böswillige, auch kriminelle Peers stellen eine Realität dar, die sich nie ausschließen lässt. Die Quelle dieser Bedrohung ist aber nicht technischer Natur, sondern liegt in der Motivlage der Individuen. Das Fundament eines Peer-to-Peer-Systems ist aber Vertrauen. Man muss also dem System vertrauen können, auch wenn böswillige Peers anwesend sind.

Die Herausforderung besteht also darin, auch unter den widrigsten Umständen in einem Peer-to-Peer-System Integrität sicherzustellen und Vertrauen zu schaffen. Genau das gelingt mit der Blockchain. Selbst in einem rein verteilten System mit einer unbekannten Zahl von Teilnehmern, deren Zuverlässigkeit und Absichten nicht bekannt sind. Damit das alles erreicht werden kann, bedarf es eines Technologiepaketes. Dieses besteht aus der Blockchain-Datenstruktur, einem Algorithmus sowie Kryptographie und Sicherheitstechnologien. All das gelangt schließlich kombiniert zum Einsatz, unabhängig davon, welche inhaltliche Anwendungen abgearbeitet werden sollen.

In der Blockchain-Datenstruktur werden Daten ungeachtet ihres Inhaltes verschlüsselt in Blöcken organisiert. Diese Blöcke werden dann miteinander wie die Glieder einer Kette verbunden. Daher stammt der Begriff Blockchain. Der Algorithmus ist nun eine Folge von Anweisungen, mit dem der Informationsgehalt der Blockchain-Daten überprüft und zwischen den Peers ausgehandelt wird. Darüber gleich noch mehr.

Die Blockchain kann man sich wie einen Ringordner vorstellen

Stellen Sie sich die Blockchain als Metapher zunächst wie einen Ringordner vor. Im Ringordner werden alle Transaktionen, die über die Blockchain abgewickelt werden, festgehalten. Jeder Block in der Blockchain repräsentiert eine Zusammenfassung einer oder mehrerer Transaktionen, die ein gewisses Datenvolumen in Megabyte umfassen. Und jeder Block in der Blockchain ist ein Blatt im Ringordner.

Dieser Ordner liegt auf einem großen Tisch, um den zahlreiche Mitarbeiter herumsitzen. Diese Mitarbeiter sind die Peers, die an der Blockchain teilnehmen. Mitarbeiter werden für ihre Arbeit bezahlt, indem auf ihr Konto jeweils ihr Arbeitsentgelt überwiesen wird. Das Konto weist Eingänge und Auszahlungen aus. Der jeweilige Kontostand ist natürlich ersichtlich. Die Arbeit der Mitarbeiter besteht darin, Blätter auszufüllen, mit denen sie Geschäfte der Firma dokumentieren. Dafür werden sie bezahlt. Manche der Mitarbeiter machen Fehler beim Ausfüllen oder betrügen ganz direkt, um Vorteile für sich zu erlangen.

Am Tischende sitzt aber auch eine Anzahl von Wirtschaftsprüfern, die alle einen Locher haben. Mit dem Locher können sie neue Blätter lochen, die dann allenfalls in den Ringordner eingeordnet werden. Die Wirtschaftsprüfer sind in der realen Welt der Blockchain die Miner, die Coins schürfen. Die Wirtschaftsprüfer prüfen nun neue Blätter, die die Mitarbeiter am Tisch ausgefüllt haben. Mehrere Wirtschaftsprüfer prüfen jeweils dasselbe Blatt (wie in einem Wirtschaftsprüfer-Wettbewerb) um die Wette. Jener Wirtschaftsprüfer, der am schnellsten fehlerfrei arbeitet, schließt eine Prüfung dann erfolgreich ab, wenn ein Blatt korrekt ausgefüllt ist und er dies als erster feststellt. Wenn ein Wirtschaftsprüfer eine Prüfung als erster erfolgreich abgeschlossen hat, dann erhält er ein Honorar in Form von Coins. Ist ein Blatt korrekt ausgefüllt, dann locht der Wirtschaftsprüfer dieses Blatt mit seinem Locher und es kann in den Ringordner aufgenommen werden. Die Löcher im Blatt entsprechen in der Blockchain der Prüfsumme, mit der der Block an die Blockchain angehängt wird. Die eingestanzten Löcher in unserem Beispiel werden dazu benutzt, um das Blatt in den Ringordner einzuordnen.

Jeder der Prüfer kann zu diesem Ordner gehen und alle Blätter ansehen, egal ob sie bereits eingeheftet sind oder noch neben dem Ordner liegen. Wenn jemanden ein Fehler auffällt, kann er es sofort allen anderen sagen. Weil jeder alle Blätter ansehen kann (und damit in der Welt der Blockchain alle Transaktionen kennt), weiss auch jeder genau, was jeder Mitarbeiter jemals gemacht hat und wie hoch sein Kontostand ist. Niemand kann daher mehr abheben oder ausgeben, als er hat. Das System der Buchhaltung funktioniert perfekt, weil die zahlreichen Wirtschaftsprüfer eifrig um die Wette prüfen. Aber auch die Wirtschaftsprüfer trauen sich gegenseitig nicht über den Weg. Denn ein Wirtschaftsprüfer könnte ja auch ein fehlerhaftes Blatt durchgehen lassen, damit er als erster mit seiner Arbeit “erfolgreich” fertig ist. Oder er ist bestechlich und könnte mit einem betrügerischen Mitarbeiter zusammenarbeiten.

Deshalb überprüfen die Wirtschaftsprüfer auch die Arbeit der anderen Wirtschaftsprüfer. Wenn ein Wirtschaftsprüfer fehlerhaft prüft, wird er bestraft und muss sein Honorar wieder herausrücken. Aber auch mehrere Wirtschaftsprüfer könnten arglistig zusammenwirken. Daher wird eine Prüfungsarbeit erst dann wirklich akzeptiert und das Blatt wirklich in den Ringordner aufgenommen, wenn die Mehrheit aller vorhandenen Prüfer die Korrektheit bestätigt. Die gegenseitige Überwachung aller über diesen Prüfprozess nennt man “Proof of Work”. Der Prüfprozess wird künstlich langwierig gestaltet, damit er entsprechende Kosten verursacht. Dies soll verhindern, dass mit geringem Aufwand Betrug möglich wird.

“Proof of Work” stellt die Integrität der Blockchain sicher

In der Realität entsprechen die dargestellten Schritte dem Algorithmus aus dem Technologiepaket der Blockchain. Wenn ein Peer eine Transaktion ausführt, sendet er diese in die Blockchain. Hat der Peer ausreichend Coins zur Verfügung und ist die Transaktion auch in den anderen Belangen korrekt, so ergibt sich eine Prüfsumme, die sogenannte “Hashsumme”. Die Miner evaluieren diese Transaktion mit ihrer Rechenleistung um die Wette und erhalten als Belohnung neue Coins, wenn sie als erster erfolgreich Blöcke schaffen, die dann an die Blockchain angehängt werden können. Dieser gesamte Prozess wird durch den Algorithmus der Blockchaintechnologie geregelt und stellt den sogenannten “Konsensmechanismus” der Blockchain dar. Dieser Konsensmechanismus via Miner wird auch “Proof of Work” genannt.

Ein neuer Block wird an alle Teilnehmer der Blockchain geschickt, die jeweils über Kopien der Blockchain verfügen. Kein Teilnehmer muss immer online sein. Die Miner halten die Blockchain immer aktuell. Wenn ein Peer online geht, erhält er ein Update der Blockchain. Damit sieht die gesamte Blockchain bei allen Teilehmern gleich aus und repräsentiert den jeweils aktuellen, korrekten Stand.

Auch andere Konsensmechanismen oder Verifikationsmechanismen sind möglich

Selbst “Proof of Work” existiert in unterschiedlichen Blockchains in unterschiedlichen Ausprägungen. Während bei der Bitcoin Blockchain beispielsweise nur der jeweils schnellste Miner belohnt wird, belohnt die Ethereum Blockchain auch den “beinahe schnellsten”. Dadurch wird der Verdienst der Miner quasi geglättet, da sie öfter erfolgreich sind, dafür aber pro Erfolg weniger erlangen. Dies hat betriebswirtschaftliche Implikationen für die Entwicklung der Ethereum-Blockchain. Manche Blockchains kommen gänzlich ohne Miner aus, so beispielsweise Ripple. Demnächst wird Ethereum übrigens auf einen ganz anderen Konsensmechanismus umstellen, der “Proof of Stake” heißt.

Der Sack Flöhe, das offene und rein verteilte Peer-to-Peer-System lassen sich also perfekt in Zaum halten. Damit ist die Sicherheit und Integrität der Blockchain sichergestellt trotz Offenheit des Systems. Es grenzt an ein Wunder, dass diese geniale Konzeption das möglich macht. Und es darf nicht verwundern, dass die Technologie daher das Potenzial hat, unsere ökonomische Zukunft nachhaltig zu verändern.

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